£ 1. Способы защиты камер ЖРД от перегрева |
401 |
1 мм, хотя при больших тягах целесообразнее брать ее |
боль |
ше 1 мм х.
Выбор схемы охлаждения двигателя, решение вопроса о необ ходимости или рациональности применения защитной завесы горю чего, выбор охлаждающей жидкости и решение ряда других вопро сов, связанных, с организацией охлаждения ЖРД, зависят от общей схемы двигателя, величины его тяги, рода компонентов топ лива, давления в камере сгорания, назначения двигателя, а также
от конструкции камеры сгорания и сопла и двигателя в целом. Задача наиболее рациональной организации охлаждения ЖРД
в целом пока не решена. В каждом конкретном случае отдельные вопросы охлаждения двигателя должны решаться специально.
Если продолжительность работы двигателя небольшая (до 5— 15 сек.) или его тепловой режим незначительный, то можно обой тись без охлаждения камеры, используя при этом для оболочки камеры материал либо с малым, либо с большим коэффициентом теплопроводности. При малом коэффициенте теплопроводности ма
териал оболочки определенной толщины будет постепенно прогре ваться, плавиться и сдуваться потоком газа до тех пор, пока тол
щина оболочки не уменьшится до минимума и не наступят ее перегрев и потеря прочности. Одновременно изменяются геометри ческие размеры и параметры камеры двигателя. Оболочка камеры значительной толщины из теплопроводного материала способна некоторое время прогреваться, аккумулировать в себе тепло без повышения температуры со стороны газов выше допустимого пре дела.
Применяя тугоплавкие материалы с относительно меньшей теплопроводностью, можно увеличить продолжительность работы двигателя. Известно много материалов, имеющих очень высокую температуру плавления, однако это не является единственным кри терием применимости того или иного материала в качестве кон струкционного.
Относительно хорошие результаты дает графит, особенно когда
он имеет обшивку для восприятия механических напряжений. Соп ла из карбидов вольфрама и кремния удовлетворительно работают до температур немного ниже точки их плавления. Судя по темпе
ратурам плавления, некоторые тугоплавкие карбиды и нитриды могли бы противостоять наивысшим температурам, развивающим ся в обычных ЖРД. Применяя тугоплавкие материалы, можно зна чительно увеличить время работы неохлаждаемых ЖРД. При этом
для некоторых топлив время работы двигателя может быть дове дено до 60 сек.
Неохлаждаемые камеры ЖРД отличаются от охлаждаемых конструктивной простотой и дешевизной. Внутреннюю поверхность
1 Г. Б. Синиор ев и М. В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели, Оборонгиз, 1957.
26 371
402 Гл. 9. Проектирование и расчет систем охлаждения ЖРД
неохлаждаемых камер сгорания обычно защищают от тепла горя чих газов соответствующими материалами с целью увеличения ресурса их работы.
§ 2. Процессы теплообмена в камере ЖРД
.Теплообмен в жидкостном ракетном двигателе является слож ным физическим процессом, состоящим из:
1) процессов теплоотдачи теплопроводностью, конвекцией
иизлучением от движущегося горячего газа к оболочке камеры;
2)процесса теплопередачи теплопроводностью через оболочку камеры;
3)процесса конвективной теплоотдачи от оболочки к жидкости, движущейся в охлаждающем тракте камеры.
В двигателе эти процессы протекают одновременно в условиях работы трения, непрерывной подачи, подогрева и испарения топли
ва, химического, теплового и геометрического воздействий на пара
метры газового потока, при турбулентном движении газов в каме ре и жидкости в охлаждающем тракте.
Теплоотдачу от газов к оболочке камеры посредством кондук-
ции (теплопроводности) и конвекции обычно принято называть
конвективной теплоотдачей или теплоотдачей соприкосновением.
Через границу раздела газ (жидкость)—оболочка тепло пере
дается теплопроводностью.
При турбулентном потоке конвекция осуществляется за счет беспорядочного движения частиц газа или жидкости, которые пе реносят тепло. Только в непосредственной близости к поверхности
оболочки находится тонкий ламинарный слой газа, где тепло пере
дается за счет молекулярной теплопроводности и турбулентного перемешивания частиц газа. Частицы газа, подходя к стенке каме ры, приносят к ней свое физическое тепло, кинетическую энергию
и тепло, выделяющееся при их рекомбинации.
Можно полагать, что процессы диссоциации и рекомбинации
газов в пограничном |
слое при их |
перемешивании, |
нагревании |
и охлаждении происходят весьма быстро, и поэтому |
состав газа |
||
следует считать равновесным. |
|
|
|
Поскольку газы обладают малой теплопроводностью и слабым |
|||
перемешиванием, то в ламинарном |
слое газа при больших пото |
||
ках тепла имеет место значительный перепад температуры. |
|||
Доля конвективной |
теплоотдачи |
от газа к оболочке камеры |
|
в современных двигателях достигает 60—80%; остальная часть пе
редаваемого от газа тепла приходится на излучение.
Тепловое излучение представляет собой процесс передачи тепла от одного тела к другому посредством электромагнитных волн.
Наибольший радиационный удельный тепловой поток имеет
место в камере сгорания с наибольшей температурой газов и в некоторых двигателях достигает (1,2-?-2)106 ккал/мРчас.